Op 21 augustus stelden prof. dr. MA Cheng van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) en zijn medewerkers een effectieve strategie voor om het contactprobleem tussen elektrode en elektrolyt aan te pakken, dat de ontwikkeling van de volgende generatie vaste-stoflithiumbatterijen beperkt. De op deze manier gecreëerde vaste-stofcomposietelektrode vertoonde uitzonderlijke capaciteiten en snelheidsprestaties.
Het vervangen van de organische vloeibare elektrolyt in conventionele Li-ion-batterijen door vaste elektrolyten kan de veiligheidsproblemen aanzienlijk verlichten en mogelijk het "glazen plafond" voor verbeterde energiedichtheid doorbreken. De gangbare elektrodematerialen zijn echter ook vaste materialen. Omdat het contact tussen twee vaste materialen vrijwel onmogelijk zo intiem kan zijn als dat tussen vaste en vloeibare materialen, vertonen batterijen op basis van vaste elektrolyten momenteel doorgaans een slecht elektrode-elektrolytcontact en onbevredigende prestaties over de volledige cel.
"Het probleem van het contact tussen elektrode en elektrolyt in vaste-stofbatterijen is vergelijkbaar met de kortste staaf van een houten vat", aldus prof. MA Cheng van USTC, de hoofdauteur van de studie. "In de loop der jaren hebben onderzoekers al veel uitstekende elektroden en vaste elektrolyten ontwikkeld, maar het slechte contact tussen deze elektroden beperkt nog steeds de efficiëntie van het Li-ion-transport."
Gelukkig kan MA's strategie deze enorme uitdaging overwinnen. De studie begon met een atoom-voor-atoom onderzoek van een onzuiverheidsfase in een prototype, perovskiet-gestructureerde vaste elektrolyt. Hoewel de kristalstructuur tussen de onzuiverheid en de vaste elektrolyt sterk verschilde, werd waargenomen dat ze epitaxiale grensvlakken vormden. Na een reeks gedetailleerde structurele en chemische analyses ontdekten onderzoekers dat de onzuiverheidsfase isostructureel is met de lithiumrijke gelaagde elektroden met hoge capaciteit. Dat wil zeggen, een prototype vaste elektrolyt kan kristalliseren op de "template" die gevormd wordt door het atomaire raamwerk van een hoogwaardige elektrode, wat resulteert in atomair nauwe grensvlakken.
"Dit is echt een verrassing", aldus de eerste auteur LI Fuzhen, momenteel promovendus aan de USTC. "De aanwezigheid van onzuiverheden in het materiaal is eigenlijk een veelvoorkomend verschijnsel, zo algemeen dat we ze meestal negeren. Nadat we ze echter nader hadden bekeken, ontdekten we dit onverwachte epitaxiale gedrag, en het inspireerde ons direct tot onze strategie om het contact tussen vaste stoffen te verbeteren."
Vergeleken met de gebruikelijke koudpersmethode kan de door de onderzoekers voorgestelde strategie een grondig en naadloos contact realiseren tussen vaste elektrolyten en elektroden op atomaire schaal, zoals te zien is op de elektronenmicroscopie-afbeelding met atomaire resolutie. (Aangeleverd door het team van MA.)
Door gebruik te maken van het waargenomen fenomeen kristalliseerden de onderzoekers opzettelijk het amorfe poeder met dezelfde samenstelling als de perovskiet-gestructureerde vaste elektrolyt op het oppervlak van een gelaagde verbinding met veel lithium. Ze realiseerden met succes een grondig en naadloos contact tussen deze twee vaste materialen in een composietelektrode. Nu het probleem van het elektrode-elektrolytcontact was opgelost, leverde een dergelijke vaste-vaste composietelektrode een snelheid die zelfs vergelijkbaar was met die van een vaste-vloeistof composietelektrode. Belangrijker nog, de onderzoekers ontdekten dat dit type epitaxiaal vast-vast contact grote roostermismatches kan verdragen, waardoor de door hen voorgestelde strategie ook toepasbaar zou kunnen zijn op veel andere vaste perovskiet-elektrolyten en gelaagde elektroden.
"Dit werk heeft een richting aangegeven die de moeite waard is om te volgen", aldus MA. "Het toepassen van het hier aangehaalde principe op andere belangrijke materialen zou kunnen leiden tot nog betere celprestaties en interessantere wetenschap. We kijken ernaar uit."
De onderzoekers zijn van plan hun onderzoek in deze richting voort te zetten en de voorgestelde strategie toe te passen op andere kathodes met een hoge capaciteit en hoog potentieel.
De studie werd gepubliceerd in Matter, een toonaangevend tijdschrift van Cell Press, getiteld "Atomically Intimate Contact between Solid Electrolytes and Electrodes for Li Batteries". De eerste auteur is LI Fuzhen, een doctoraalstudent aan de USTC. Tot de medewerkers van prof. MA Cheng behoren prof. NAN Ce-Wen van de Tsinghua Universiteit en dr. ZHOU Lin van het Ames Laboratory.
(School voor Scheikunde en Materiaalwetenschappen)
Link naar artikel: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Plaatsingstijd: 03-06-2019